多普勒声纳系统原理及应用

ｉｔ ｖ ｔ ｉ ｉ ｄｕ ｄ， ａｎｄ ｙ ｅｃ ｏｒ ｓ ｎ ｃｅ ｔｈ ｃａｌ ｌ ｅ ｃｕ ａｔｉ ｇ ｎ ｍｅｔ ｏｄ ｈ ａｎ ｄ ｐｈ ｙｓｉ ａｌ ｃ ｍｅ ａｎｉ ｇ ｆ ｅｒ ｒ ｅｌ ｉｔｙ ｒｅ ｒｅｓ ｎｔ ｎ ｏ ｒｏ ｖ ｏｃ ａ ｐ ｅ ｅｄ， ａ ｔ
ｆｉ ｔ， ｔ ｅ ｈ ａｃ ｒｉ ｒｓ ｈ ｃ ａｒ ｔｅ ｓｔｉ ｓ ｆ ｕ ｄｅ ａｔｅ ｎ ｃ ｏ ｎ ｒｗ ｒ ａｖｉ ａｔｉ ｇ ｏｎ ａｒｅ ｎａｌ ｅ ａ ｙｚ ｄ， ｔ ｎ ｈ ｌ ａｓｔ ｑｕ ｅ ｓｔ ｍａｔｉ ｎ ｈｅ ｔ ｅ ｅ ｓ ａｒ ｅ ｉ ｏ ｏｆ ｖｅ ｏｃ ｌ －
０ 引言
向正下方 发射 信号 。接收 时采用多个水 听器 接收海底 回波，
现有水面舰船 导航方法 ［ 陆标 、 １ 有 天文导航 和无线 电导 航 、 星定位导航 、 导航 、 导航 系统等几 种 ， 卫 推算 惯性 上述 各 种 导航 手段 ， 基本上可 以满足水 面舰船的导航需要 。 然而 ， 上 面 的各 种用于水面舰艇 的导航 手段，除惯性导航设 备 以外 ， 均 很难 用于水下载体 的定 位导航 。ＩＳ惯导系统 ） Ｎ（ 的误 差是
（） １
式 （） ｃ为 波束的俯角 ， 为声源 （ 收器 ） １中，【 ｖ 或接 的水 平
另外一类水下导航系统为声学测速和计程设备， 它可以
测量载体相对海底 的绝对 速度， 水下 载体通过速度 信息独立
相对速度， 为声速。 Ｃ 检测回波的频移可求得速度。 四波束正
交配置的多普勒声纳如 图一所示 。 通常每个 波束和水平面夹
随时间而积 累的， 在没有修 正信息的情况 下难 以满足 长时间 导航 定位的要求， 而且加温和对准所需 的时间较长 。当前获
通过各接 收器 接收信号 的相关特性推算载体速度 。 这种测速 声纳 的主要优 点是基阵尺寸 较小， 甚至在低频 率时基 阵尺寸 也不大 。 缺点是浅水 、 低速情 况下测速效果一般 不佳， 误差较 大 。而水下航行器 最常用 的， 也是最 可靠的水声 测速设备是 多普勒 声纳 ，本文主 要分析 多普勒 声纳 的原理 及在水 下导
多普勒声 纳向海水介质 发射 声波 ，声 波被海底反射 ， 产 生海底 回波， 分析海底 回波则可 以测量 载体 的速 度。当频率 为 ｆ 的声波在海水 中传播 时，有一部 分能量被 海底散射 回 。 来， 些 回波 信号经换 能器 接收 ， 这 处理 后可 以测得 其频率 为
等水下定位系统。 这些系统可以在局部海域对水下目标进行
ｌ ａｓｔ， ｔ ａ ｐｌｉ ａｔｉ ｎ ｏ Ｄｏ ｐｌ ｓ ｎａｒ ｎ ｎｄｅ ｗａｔ ｎ ｈｅ ｐ ｃ ｏ ｆ ｐ ｅｒ ｏ ｉ ｕ ｒ ｅｒ ａｖｉ ａｔ ｎ ｉ ｒｏ ｃｅ ｇ ｉｏ ｉｓ ｎｔ ｄｕ ｄ．
Ｋ ｙ ｅ ｗｏｒｓ：Ａ ｏ ｓ Ｊ ； Ｄ ｐ ｌ ｒ Ｓ ｎ ｒ：Ｕ ｄ ｒ ａ ｅ ａ ｉ ａ ｉ ｎ Ｂ ａ ｏ ｆ ｇ ｒ ｔ ｏ ｄ ｃ ｕ ｔ ｃ ｏ ｐ ｅ ｏ ａ ｎ ｅ ｗ ｔ ｒ Ｎ ｖ ｇ ｔ ｏ ； ｅｍ Ｃ ｎ ｉｕ ａ ｉｎ
应
用
（ 海军驻昆 明地 区军事 代表室，云南 昆明 ６ ０ ３ ） ５ ２ ６ （ａ ｙ ｓＭ ｌ ｔ ｒ ｅ ｒ ｓ ｎ ａ ｉ ｅ Ｏ ｆ ｃ ｎ Ｋ ｎ ｉ ｇ ｕ ｎ ｎ Ｋ ｎ ｉ ｇ ６ ０ ３ ） Ｎ ｖ ｉ ｉａ ｙＲ ｐ ｅ ｅ ｔ ｔ ｖ ｆ ｉ ｅ ｉ ｕｍ ｎ ，Ｙ ｎ ａ ｕｍ ｎ ５ ２ ６ 摘 要： 多普勒声纳 已成功应用于多种水下Leabharlann Baidu体 的导航 。首先分析 了水下导航 的特 点 ， 导 了四波束配置 多普勒声纳速度 推
地进行船位推算， 或者与惯导等导航设备组合导航， 实现完 全 自主导航。声学测速设备主要有两种， 包括声相关速度声
Ａｂｓ ｒ ｃｔ Ｄ ｐｌ ｓ ａｒ ａｓ ｔａ ： ｏｐ ｅｒ ｏｎ ｈ ｂｅ ｎ ｕｓ ｉ ｔ ｎａ ｅ ｅｄ ｎ ｈｅ ｖｉｇ ｔｉｏ ｏｆ ａ ｎ ｍｕ ｉ ｌｔ ｐｌｅ ｎｄ ｗａ ｒ ａｒ ｅｒｓ ｕｃ ｕ ｅｒ ｔｅ ｃ ｒｉ ｓ ｃｅｓ ｆｕｌ ｙ． Ａ ｓ ｌ ｔ
多 普 勒
声纳系统原理及应用
Ｐ ｉ Ｃ ｐ ｅ ａ ｄ ｍ ｌｍ ｎ ｆ Ｄ ｐ ｌ ｒ Ｓ ｎ ｒ Ｓ ｓ ｅ ｒ Ｂ ｉ ｌ ｎ Ｉ ｐ ｅ ｅ ｔ ｏ ｏ ｐ ｅ ｏ ａ ｙ ｔ ｍ
崔凯兴
Ｃｕ Ｋ ｘｉ ｉ ａｉ ｎｇ
声 纳 系
统 原
及 理
高精度的定位， 并对水下载体进行 导航 。但是这 种导航方法 需要在预定工作海域布设 导航基 阵， 在某些应 用场 合如复杂 的战争环境和未知海域受 到较大 的局限 。
ｆ ｒ 。根据多普勒频移原理， 只要声源（ 或接收器） 与散射体之
间有相对运动， ｆ≠ 。 则 ｆ， 其差值为 ｆ， 并且满足下式 ： ｆ ｆ Ｇ＝ ￣ ｒ ２×ｆ × Ｃ Ｓ 【ｃ －－ 。 Ｖ× Ｏ ／ ０
矢量的最小二乘估计， 出 了误差速度 的计算 方法和物理意义 ， 给 最后介绍 了多普勒声纳在水下 导航 中的应用。
关键词 ： 声学 ； 多普勒声纳； 水下导航 ； 波束配置
中 图分 类 号 ：Ｂ ５ Ｔ ５９ 文 献标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ： １ ４ ９ － ２ １ ）一 ｌ ９ ０ １ ７ － ７ ２ （０ ５ Ｏ — ３ ６ ０ ６
航 中的应用 。 １ 多普勒声纳测速方法
取水 下信息 最有 效的传播 载体仍 然是声波 。因此， 水下 目标 及 载体定位和导航 的任务 不可避免地要 使用水声技术 。 随着 ２ Ｏ世纪 ７ 年代后 开始形 成的 民用水 下定位 需 求 Ｏ 和军用 定位导航 需求， 逐步 出现长基 线 、 短基线 和超短 基 线